中国报告大厅网讯，在当前电力电子技术快速发展的背景下，逆变器作为电能转换与控制的核心设备，其性能优劣直接影响电力系统的电能质量与运行效率。随着2025年逆变器行业竞争日益激烈，市场对逆变器的高电压运行能力、高效率、低开关损耗及优越电能质量提出了更高要求，多电平逆变器凭借自身优势在中压驱动系统、柔性交流输电系统、分布式发电系统等领域的应用愈发广泛。在逆变器技术发展中，特定谐波消除是提升电能质量的关键环节，相关研究方法不断创新，帝国竞争算法在这一领域的应用为解决级联多电平逆变器特定谐波消除问题提供了新的有效路径。以下是2025年逆变器行业竞争分析。

  一、逆变器特定谐波消除方法现状与帝国竞争算法引入

  《2025-2030年中国逆变器行业市场分析及发展前景预测报告》指出，多电平逆变器因高电压运行、高效率、低开关损耗、优越的电能质量等优点，在多个重要领域得到广泛应用。目前，电力系统中针对逆变器选择性谐波消除或补偿的研究主要分为三类：第一类是有源电力滤波器中的选择性谐波补偿策略，属于谐波被动补偿;第二类是随机 PWM 中利用傅里叶级数前后项对消或带通滤波器，实现选择性电压谐波消除，主要针对高次谐波;第三类是以求解非线性消谐超越方程为基础的特定谐波消除调制策略(SHEPWM)，主要针对 6k±1 等低次谐波，后两类均属于谐波主动控制方法。

  SHEPWM 通过优化开关角度消除特定低次谐波成分，涉及的非线性超越方程通常通过数值方法、代数方法和智能算法求解。数值方法如牛顿迭代法、同伦算法、Walsh 函数等，依赖初值选取，初值不合适易收敛于局部最优解，且应用于多电平逆变器等复杂拓扑结构时计算量大幅增加;代数方法如吴方法、Groebner 基、结式理论、结式消元法等，无需初值，通过将非线性超越方程转化为多项式方程求解开关角，但计算过程复杂，更适合低电平逆变器这类简单拓扑结构;智能方法中，粒子群优化算法虽简单，但易局部收敛且对粒子飞行速度依赖强;遗传算法求解速度较快，但精度较低且易产生早熟现象;蚁群优化算法效率低且全局收敛性差;蜂群算法精度较高，但收敛速度慢且易早熟。

  帝国竞争算法凭借强大的优化性能，已在潮流计算和配电网的无功优化等领域取得丰硕成果。将其引入 SHEPWM 非线性方程组求解，可得出调制比 0 到 1 的三个和五个开关角度解的轨迹，且不需要初值，与遗传算法相比，具有更高的精度和更快的收敛速度，并且以较高的概率收敛到全局最优。

  二、帝国竞争算法工作原理与逆变器 SHEPWM 方法结合

  2.1 帝国竞争算法工作原理

  帝国竞争算法的优化目标是根据问题的变量找到最优解，经过帝国初始化、殖民地向帝国主义移动、位置交换等步骤后，帝国开始竞争最弱殖民地，若一个帝国无法在竞争中成功并增强实力，将被摧毁。

  2.2 基于帝国竞争算法的多电平逆变器 SHEPWM 方法

  2.2.1 七电平级联逆变器 SHEPWM 方程组

  级联七电平逆变器及其相电压波形有特定结构，以开关角度选为 3 个、消除 5 次和 7 次谐波为例，令 V5 和 V7 为 0，即可消除这两次谐波。

  当 f (α) 趋近于 0 时，ε1、ε2、ε3 达到最小值，方程被认为已求解，且 f (α) 值越小，解越精确。

  2.2.2 SHEPWM 方程组的帝国竞争算法求解

  求解过程中，选 100 个点，设置步长 0.01，对每个调制度进行 20 次优化计算，记录 f (α) 解的最小值，此时解的精度最高。

  三个开关角的轨迹图是在调制度 0.01 到 1 取 100 个点，步长 0.01，在每个调制度处运行 10 次帝国竞争算法取最优结果得到开关角度后绘制而成;五个开关角的轨迹图则是由于开关角度增多，相同调制度下会有多组解，故在每个调制度处运行帝国竞争算法 10 次，取尽量使开关轨迹跳变较小的解绘制而成。且由于帝国竞争算法在每次迭代中对目标函数的引用次数较少，其计算成本比遗传算法低。

  三、逆变器 SHEPWM 方法的仿真与实验分析

  3.1 逆变器 SHEPWM 方法验证与分析

  利用 MATLAB/Simulink 软件验证基于帝国竞争算法的逆变器 SHEPWM 方法的正确性和有效性，其中级联 H 桥直流侧电压均为 50V。

  在三个开关角轨迹图中，当 m 在 0.85~0.9 附近时，α1 和 α2 看似相等，但从上述仿真数据可知，α1 和 α2 只是接近，并不完全相等。

  相电压及其 FFT 波形图中，第 5、7 次谐波幅值为 0，表明有效抑制了第 5、7 次谐波，谐波总畸变率为 12.11%;线电压及其 FFT 波形图中，谐波总量为 8.87%，第 5 次、7 次谐波含量为 0，说明 5 次和 7 次谐波得到有效消除，此外，第 3、9、15…… 次谐波振幅为 0，即有效抑制了 3 的整数倍次谐波，这是因为三的整数倍次谐波在三相对称系统中可被自动消除。

  搭建的七电平级联 H 桥逆变器实验样机，其级联 H 桥直流侧电压均为 12V，IGBT 型号为 BSM50GB120DN2，IGBT 驱动模块为 TX-DA962D，负载为阻感负载 5Ω 和 5mH，系统主控芯片采用 32 位 DSP TMS320F2812，实验中示波器型号为 DS1052E。

  A 相相电压波形及其 FFT 分析显示，基波、3 次谐波、5 次谐波、7 次谐波、9 次谐波、15 次谐波、21 次谐波的有效值分别为 25.2Vrms、1.3Vrms、0、0、2.5Vrms、1.8Vrms 和 1.2Vrms，可见 5 次和 7 次谐波基本被完全消除;A、B 两相线电压波形及其 FFT 分析显示，第 5、7 次的谐波有效值趋近于零，且第 3、9 和 15 次谐波的幅值也趋近于零，证明 3 的倍数谐波可被消除，与理论分析和仿真结果一致，验证了帝国竞争算法在逆变器特定消谐调制策略中的可行性。

  3.2 逆变器 SHEPWM 求解算法对比分析

  将帝国竞争算法(ICA)和遗传算法(GA)用于求解级联七电平逆变器 SHEPWM 方程组三个开关角，同类参数取值相同，初始种群和最大迭代次数分别为 100 和 500，变异率为 0.2，对比分析结果如下：

  从目标函数值比较图可见，帝国竞争算法的目标函数值曲线几乎都低于遗传算法，意味着在各调制度下，帝国竞争算法的目标函数值均小于遗传算法，而目标函数值越小精度越高，故帝国竞争算法求解精度比遗传算法更高。

  两种算法目标函数值的累积分布函数曲线(CDF)显示，帝国竞争算法的 CDF(10⁻⁷)为 38%，即在 38% 的调制范围内，目标函数值小于或等于 10⁻⁷;遗传算法在目标函数值等于 10⁻⁷和 10⁻⁵时的 CDF 分别为 0 和 4%，低于帝国竞争算法的对应值，且帝国竞争算法的 CDF 曲线均位于遗传算法之上，说明帝国竞争算法达到全局最优的概率大于遗传算法，即收敛速度更快。

  进化代数比较图中，为得到两种算法在进化代数上的差异，用不同调制度在运行一次时得到的数据绘制曲线，结果显示帝国竞争算法大约进化到 100 代收敛，而遗传算法在 300 代后才收敛，由此可知帝国竞争算法实现收敛所需进化代数更少，摆脱局部极值的能力更强。

  两种算法在运行 1 次和 10 次时目标函数值的变化曲线显示，帝国竞争算法在调制度小于 0.4 和大于 0.85 时，运行 1 次和 10 次的曲线基本重合;而遗传算法只有在调制度大于 0.85 时，运行 1 次和 10 次的曲线才基本重合，这说明帝国竞争算法运行 1 次时收敛的概率比遗传算法运行 1 次时收敛的概率高，故帝国竞争算法能克服早熟的概率更高。

  四、全篇总结

  本文围绕级联多电平逆变器特定谐波消除问题展开研究，提出基于帝国竞争算法的七电平级联型逆变器 SHEPWM 非线性方程组求解方法。通过研究得出，该方法能给出求解七电平 SHEPWM 方程组 3 个开关角和 5 个开关角的轨迹图，且达到较高精度，以求解 3 个开关角为例进行仿真和实验研究分析，成功实现对 5、7 次电压谐波的选择性消除。

  通过将帝国竞争算法与遗传算法在求解精度、收敛速度、进化代数和早熟问题上进行对比分析发现，在求解七电平逆变器 SHEPWM 方程组时，帝国竞争算法精度更高、收敛速度更快、进化代数更少，且能克服早熟的概率更高，充分证明了帝国竞争算法求解七电平逆变器 SHEPWM 方程组的优越性。同时，帝国竞争算法不需要初值，且能以较高的概率收敛到全局最优，为2025年竞争加剧的逆变器行业提供了提升逆变器性能的有效技术方案，对推动逆变器行业技术发展和提高电力系统电能质量具有重要意义。